Big Data, Industrie 4.0 und Co. Wie sich die Welt verändert

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1 Big Data, Industrie 4.0 und Co. Wie sich die Welt verändert Prof. Dr.-Ing. Peter Liggesmeyer Lehrstuhl Software Dependability, Technische Universität Kaiserslautern Geschäftsführender Direktor, Fraunhofer-Institut für Experimentelles Software Engineering Präsident Gesellschaft für Informatik

2 Wer ist die GI? Die GI ist ein gemeinnütziger Verein von ca engagierten Informatikerinnen und Informatikern. Sie ist die größte neutrale Fachgesellschaft für Informatik im deutschsprachigen Raum. Die GI hat derzeit 14 Fachbereiche mit 150 Fachgruppen sowie mehr als 30 Regionalgruppen. Die GI-Regionalgruppe Braunschweig und die AutoUni Wolfsburg veranstalten seit 2015 gemeinsam bis zu fünf gemeinsame Vorträge im Jahr. Die GI bietet ein fachlich einmaliges Netzwerk für den Wissens- und Erfahrungsaustausch rund um alle aktuellen und relevanten Themen der Informatik. Oder kurz: WIR SIND INFORMATIK! 2

3 Wer ist die GI? Die Fachbereiche: Mensch-Computer-Interaktion Datenbanken und Informationssysteme Softwaretechnik Informatik in Recht und Öffentlicher Verwaltung Sicherheit Schutz und Zuverlässigkeit Informatik und Gesellschaft Technische Informatik Informatik in den Lebenswissenschaften Grundlagen der Informatik Graphische Datenverarbeitung Wirtschaftsinformatik Informatik und Ausbildung / Didaktik der Informatik Betriebssysteme, Kommunikationssysteme und Verteilte Systeme Künstliche Intelligenz 3

4 Prognosen waren immer schon schwierig, Eine erstaunliche Erfindung [das Telefon]. Aber wer sollte sie jemals benutzen wollen? (Rutherford B. Hayes, US-Präsident, 1877) Die weltweite Nachfrage nach Kraftfahrzeugen wird eine Million nicht überschreiten - allein schon aus Mangel an verfügbaren Chauffeuren. (Gottlieb Daimler, 1901) Wer zum Teufel will denn Schauspieler sprechen hören? (Harry Warner, Warner Brothers, 1927) Der Fernseher wird sich auf dem Markt nicht durchsetzen. Die Menschen werden sehr bald müde sein, jeden Abend auf eine Sperrholzkiste zu starren. (Darryl F. Zanuck, 20th Century-Fox, 1946) Wer braucht eigentlich diese Silberscheibe [CD]? (Jan Timmer, Philips, 1982) 4

5 auch für Fachleute in unserer Disziplin, Es gibt einen Weltmarkt für vielleicht fünf Computer. (Thomas Watson, IBM, 1943) Computer der Zukunft werden nicht mehr als 1,5 Tonnen wiegen. (Popular Mechanics, 1949) Es gibt keinen Grund, warum irgendjemand einen Computer in seinem Haus wollen würde. (Ken Olson, DEC, 1977) 640K sollten genug für jeden sein. (Bill Gates, Microsoft, 1981) Das Internet ist nur ein Hype. (Bill Gates, Microsoft, 1993) In zwei Jahren wird das Spam-Problem erledigt sein. (Bill Gates, Microsoft, 2004) aber wir versuchen es natürlich weiter! 5

6 Begriffe Internet der Dinge (IoT) Autonom kommunizierende Artefakte Großer Adressraum, hohe Datenmengen Auch Physical Internet Big Data Schließen von Informationen aus Massendaten Bessere Angebote (Dienste) Industrie 4.0 Massenindividualisierte Produkte Kundenwünsche Autonomie 6

7 Von der Manufaktur zu Industrie 4.0 Industrie 2.0: Massenproduktion, Vereinheitlichte, preiswerte Produkte, Fließbandfertigung Manufaktur: Teure individuelle Einzelstücke für wenige Wohlhabende, kaum Maschineneinsatz Industrie 1.0: Effizienz, Geschwindigkeit, Maschineneinsatz Industrie 4.0: Individuelle Einzelstücke für Jeden zu geringen Kosten, autonome, selbstorganisierende Fertigung Industrie 3.0: Produktvarianten bis Einzelstücke, CNC-Fertigung, hohe Qualität 7

8 Industrie 4.0 Vor Industrie 4.0: Hohe Stückzahlen Takt und Band Produktionsplanung vor Produktionsbeginn Weitgehend statische Struktur der Produktion Industrie 4.0: Massenindividualisierte Produkte Flexibilität und Selbstoptimierung Adaptionsfähigkeit (z.b. bei Maschinenausfällen) Datengetrieben 8

9 Von der großen Vision zur schrittweisen Umsetzung* Industrie 3.0 (programmierbare Maschinen): CNC-Fertigung, SPS-basierte Automatisierung Industrie 3.1 (adressierbare Maschinen): Kommunikationsfähige Maschinen (passiv) Zustandsabfrage möglich * Anmerkung P. Liggesmeyer: Die Schritte zwischen Industrie 3.0 und Industrie 4.0 sind Vorschläge!?! 9

10 Von der großen Vision zur schrittweisen Umsetzung* Industrie 3.2 (kommunizierende Maschinen): Kommunikationsfähige Maschinen (aktiv) Präventive Wartung bei Verlassen von statischen Zielkorridoren Industrie 3.3 (diagnostizierte Maschinen): Kommunikationsfähige Maschinen (aktiv) Präventive Wartung auf Basis dynamischer Analysen von Maschinendaten?! * Anmerkung P. Liggesmeyer: Die Schritte zwischen Industrie 3.0 und Industrie 4.0 sind Vorschläge!? Daten Wartungsmodelle 10

11 Von der großen Vision zur schrittweisen Umsetzung* Industrie 3.4 (selbstdiagnostizierende Maschinen): Selbstdiagnosemodelle Fähigkeit zur Selbstdiagnose Selbstständige, lokale Reaktion auf Diagnosen? Daten Industrie 3.5 (autonom reagierende Maschinen): Autonome Selbstorganisation in weitgehend festgelegten Produktionsprozessen Kooperationsmodelle * Anmerkung P. Liggesmeyer: Die Schritte zwischen Industrie 3.0 und Industrie 4.0 sind Vorschläge! Daten 11

12 Von der großen Vision zur schrittweisen Umsetzung Industrie 4.0 (autonom agierende Maschinen): Autonome, selbstorganisierende Fertigung individueller Produkte (Massenindividualisierung) Kooperationsmodelle Fähigkeitsmodelle Daten Kundenwünsche 12

13 Industrie 4.0 und Smart Ecosystems Data Analytics 13

14 Forschungsthemen zu Smart Ecosystems Big Data Echtzeit Daten- Analyse Diversität Integrierte Entwicklungsmethoden Selbst- Adaption Zertifizierung zur Laufzeit UnbekannteB enutzer Funktionalität? Autonomie Selbstdiagnose Garantierte Qualität offener Systeme Sicherheit 14

15 Der Begriff Big Data Big Data 23% of the information in the digital universe.. would be useful for Big Data... only 3% of the potentially useful data is tagged, and even less is analyzed. (IDC Report: The Digital Universe in 2020, 2012) Es ist davon auszugehen, dass das weltweite Datenvolumen in den nächsten Jahren schneller wachsen wird als die Kapazitäten zur Datenverarbeitung, die sich seit einigen Jahrzehnten entsprechend dem Mooreschen Gesetz etwa alle 18 Monate verdoppeln. (BITKOM Studie Big Data im Praxiseinsatz, 2012) 15

16 Moore s Law (nach Gordon Moore: Intel; 1965) Intel 4004 (1971) Erste CPU 2300 Transistoren auf 12 mm khz Taktfrequenz Intel Core i7 (2011) Transistoren auf 216 mm 2 4 Kerne Bis 2,7 GHz Intel Pentium II (1997) Transistoren auf 131 mm 2 Bis 333 MHz Taktfrequenz Intel Pentium 4 Prescott (2004) Transistoren auf 112 mm 2 Bis 3,8 GHz 16

17 Sicherheit : Vereinfachte Definitionen Security: Schutz von Systemen vor Personen Schutz vor Spionage, unbefugtem Abhören, Modifizieren, Löschen von Daten, Safety: Schutz von Personen vor Systemen Nachweis, dass von Systemen keine unakzeptabel hohen Risiken ausgehen Zivile und militärische Sicherheit: Schutz von Personen und Systemen vor Personen Schutz vor Anschlägen, Sicherheits-Integrität: Schutz von Systemen vor Systemen Schutz vor gefälschten Ersatzteilen, 17

18 Sicherheit: Zusammenhänge Security und Safety Reifendruckwarnsystem konnte von außen per Funk so beeinflusst werden, dass falsche Drücke und fehlerhafte Warnungen angezeigt wurden Security and Privacy Vulnerabilities of In-Car Wireless Networks: A Tire Pressure Monitoring System Case Study. Rouf et al. USENIX Security

19 Safety: Component-integrated Component Fault Trees (C 2 FTs) 19

20 Safety: Safety Concept Trees (SCTs) Formalere Dokumentation von Annahmen, die sonst bestenfalls textuell niedergelegt sind 20

21 Security: Datennutzungskontrolle Provision Zugriffskontrolle Vergangenheit + Gegenwart Obligation Auflagen Nutzung in der Zukunft Usage Control Access Control Datensparsamkeit verhindert Innovation! Zugriffskontrolle reicht nicht aus Nutzungskontrolle erweitert reine Zugriffskontrolle Richtlinien zur Spezifikation der Datennutzung, auch nachdem der Zugriff gewährt wurde Geben Sie Informationen aus der Hand, kontrollieren Sie aber deren Nutzung! 21

22 Datennutzungskontrolle Kontext Bausteine für Datennutzungskontrolle Richtlinien Datenfluss Ausdrucksstarke Richtlinien (Kardinalitäten, Temporallogik) Technologie-unabhängige Entscheidungen mit Hilfe dieser Richtlinien, welche die Nutzung von Informationen regelt Technologie-abhängige Kontrollpunkte Daten- und Informationsflusskontrolle Kontextsensitivität (Wer Wo Wie Was Warum) Balance zwischen Nutzen und Kontrolle (Security vs. Usability) Systemübergreifende Verwaltung 22

23 Datennutzungskontrolle Framework zur Durchsetzung von Richtlinien durch Integration von Kontrollpunkten in bestehende Systeme 23

24 Schlussfolgerungen Unterschiedliche Systeme werden Wertschöpfung betreiben, indem sie sich miteinander, autonom organisieren (auch in Industrie 4.0). Autonomie bietet Chancen, bringt aber auch Risiken. Industrie 4.0 setzt Fortschritte der Digitalisierung, Kommunikation und des Informationsaustauschs auf Maschinenebene, Steuerungsebene, Operatorebene, Managementebene und über die Grenzen der Niederlassungen und Unternehmen hinweg voraus. Massenindividualisierte Produkte anstelle von Massenprodukten. Es existiert noch erheblicher Forschungsbedarf (z.b. Umfassende Sicherheit (Security und Safety) in offenen Systemen) Erst die Sicherheit und das Vertrauen in Netze - über alle Ebenen (Maschine, Steuerung, Operator, Management, Enterprise) hinweg - wird Industrie 4.0, Big Data und das Physical Internet ermöglichen Daten sind der zentrale Rohstoff : Datennutzungskontrolle! 24

25 Prognose Wenn es uns gelingt, die Herausforderungen des Internet of Things, von Industrie 4.0 und Big Data zu meistern, werden wir auch weiterhin durch Hochtechnologie komfortable Lebensbedingungen haben. (Peter Liggesmeyer, GI-Präsident, 2016) 25